CN111697896B - 控制多相电机的方法 - Google Patents

Abstract

本公开总体上涉及控制多相电机的方法。一种借助功率转换器控制多相电机的方法，其中该方法包括：a)通过利用向量空间分解VSD来控制电机，其中该控制涉及在维持基波电流的控制的同时释放谐波的电流的控制，b)在释放谐波的电流的控制的同时测量电机的相电流，c)使用VSD变换电流测量值以获取谐波的电流特征，以及d)基于电流特征与谐波的参考电流特征的比较，确定在电机中或在功率转换器中是否出现故障。

Description

控制多相电机的方法

技术领域

本公开通常涉及多相电机并且具体涉及控制多相电机的方法。

背景技术

用于检测电机中故障状态而使用的最广泛的方法之一是至少在一段时间周期内对感应电流信号执行傅里叶变换，以提供电流信号频谱。定位电流信号频谱中的峰值并将该峰值与正常运行期间的值比较。在US4761703A中公开了这种类型的方法。

傅里叶变换的在线使用要求大量算术运算。因为所分析信号的周期是未知的，因此这甚至变得更加复杂。因此需要窗口傅里叶变换的应用。

由X.Wang等人发表的出版物《Fault Diagnosis of Sensors for T-type Three-Level Inverter-fed Dual Three-Phase Permanent Magnet Synchronous MotorDrives》电力电子与驱动器，AOP，2018，依赖于不同的故障检测方法。特别地，该公开依赖于向量空间分解(VSD)进行故障检测。其公开的方法的一个缺点是其需要发生非常明显的故障(例如在电流传感器中的故障)才能够检测到该故障。

发明内容

在上述观点中，本公开的目标是提供一种控制多相电机的方法，该方法解决或至少缓和现有技术的问题。

因此根据本公开的第一方面，提供了一种借助功率转换器控制多相电机的方法，其中该方法包括：a)通过利用向量空间分解VSD来控制电机，其中该控制涉及在维持基波电流的控制的同时释放谐波的电流的控制，b)在释放谐波的电流的控制的同时测量电机的相电流，c)使用VSD变换电流测量值以获取谐波的电流特征，以及d)基于电流特征与谐波的参考电流特征的比较，确定在电机中或在功率转换器中是否出现故障。

X.Wang等人的方法当分析谐波含量时没有对谐波进行不同地控制。因此，只有非常严重的故障才会通过这种方法而变得明显。

通过释放谐波的控制，谐波不受控制。这意味着谐波会在电机中的电流中出现，并且因此将被包括在步骤b)中获取的电流测量值中。多相电机中VSD的方法能够在不同的正交子空间中分解谐波。因此，了解到由于谐波控制的释放，谐波出现在测量的电流中，因此谐波可以在其子空间中被标识并且由此可以基于谐波在其子空间中的电流特征而确定故障状态的出现。由于基波仍然受到控制，因此电机的控制不受影响。因此该方法在不影响负载的意义上是非侵入性的。当执行步骤d)时，谐波被控制为零，同时维持基波的控制。以这种方式，一旦对电机和/或功率转换器执行了监测，在谐波控制的释放期间发生的任何谐波损失都可以被消除。

谐波可以是奇次谐波。

谐波可以是低次谐波，诸如三次、五次、七次或九次谐波等，如果m是奇数，则直到相位数m次，如果m是偶数，则直到相位数m减1次，即m-1。

通常，优选释放尽可能低次的谐波的控制，例如电流中出现的最低次谐波。谐波含量可以取决于电机的配置。例如，如果电机包括两个中性线未连接的三相绕组，那么将不会出现三次谐波。在这种情况下，例如可以释放五次谐波的控制。在出现三次谐波的配置中，可以释放三次谐波的控制。

在步骤a)之前，利用VSD控制电机，其中在步骤a)之前的控制优选地涉及在维持基波电流的控制的同时控制谐波的电流为零。

一个实施例包括在步骤d)后通过利用VSD控制电机，其中该控制涉及控制谐波的电流为零。维持对基波的电流的控制。

根据一个实施例，在步骤d)中，在电流特征偏离参考电流特征超出预确定的量的情况下，确定在电机中或在功率转换器中出现故障。

根据一个示例，在电流特征偏离参考电流特征的情况下，可以将电流特征与参考故障电流特征比较。每个参考故障电流特征可能与特定类型的故障相关联，诸如功率转换器故障，例如功率转换器中的开关中的一个开关的半导体故障，或者电机故障，诸如偏心故障、转子或定子短路故障，例如匝间短路故障。

根据一个实施例，步骤a)涉及在维持基波的电流的控制的同时释放多个谐波的控制，其中步骤c)涉及获取每个相应的谐波的电流特征，并且步骤d)涉及将每个电流特征与相应的参考电流特征比较。

根据一个实施例，电流特征和参考电流特征中的每一个都是在与谐波相关联的转子参考系或定子参考系中的电流的幅值或轨迹。电流特征例如可以是转子参考系(诸如dq系或αβ定子参考系)中的电流的幅值。

电流特征备选地可以是在例如基波的一个或多个时间周期期间的电流的轨迹。

根据一个实施例，参考电流特征是步骤a)-d)的更早的迭代的电流特征。最近的迭代例如可以是电流迭代之前最近的迭代。参考电流特征由此可以是随着机器老化而动态更新的。由于电机的特征在其使用寿命期间可能有所变化，因此这可以提供更精确地是否出现故障的指示。

一个实施例包括，当确定步骤d)中未出现故障的情况下，存储电流特征，该电流特征用于在步骤a)-d)的后续的迭代中用作参考电流特征。后续迭代例如可以是步骤a)-d)的下次迭代。

一个实施例包括获取电机的速度，获取对于该速度的预确定的谐波的参考幅值并且当预确定的谐波的参考幅值大于预确定的阈值的情况下，在步骤a)之前降低电机的速度。

预确定的谐波例如可以是从步骤a)中的控制而释放的谐波。

预确定的谐波的参考幅值例如可以从查找表获取，该查找表包括不同速度下以及可选地电机的不同负载下的谐波的幅值。

当(多个)谐波脱离控制时，出现在电机中的(多个)谐波的幅值可能取决于电机的速度和负载。对此，根据该示例，当确定在将要释放谐波的控制的情况下谐波的幅值将要过高时，在步骤a)之前降低电机的速度。

一个实施例包括，一旦自步骤a)-d)的先前的迭代以来的预确定的时间量结束，就执行步骤a)-d)。步骤a)-d)例如可以以一个小时一次、一天一次、一周一次或者适合于具体应用的任意时间段而执行。当步骤a)-d)未被执行时，电机可以以常规的方式运行，例如通过按需控制基波和将一个或多个谐波控制为零。

根据一个实施例，多相电机包括至少五个电相位，即m>5。

根据本公开的第二方面，提供了一种包括计算机代码的计算机程序，当计算机代码由控制系统的处理电路执行时，使得控制系统执行第一方面的方法的步骤。

根据本公开的第三方面，提供了一种用于借助于功率转换器控制多相电机的控制系统，其中该控制系统包括：处理电路，以及包括计算机代码的存储介质，当计算机代码由处理电路执行时，使得控制系统执行第一方面的方法的步骤。

根据本公开的第四方面，提供了一种电机系统，包括：多相电机；功率转换器，被配置为被连接到电机以用于控制电机；以及根据第三方面的控制系统，被配置为控制功率转换器。

通常，权利要求中使用的所有术语都根据它们在技术领域中的普通含义来解释，除非本文另外明确定义。所有对“一/一个/该元件、装置、部件、方法、步骤等”的应用都应被开放地解释为“该元件、装置、部件、方法、步骤等”的至少一个实例，除非明确指出。

附图说明

现在参考附图通过示例的方式描述本发明概念的具体实施例，其中：

图1示意性地示出了用于控制电机的控制系统的示例；

图2示意性地示出了电机系统中的控制系统的框图；以及

图3a至图3d示意性地示出了在包括两个三相绕组的电机中维持的五次谐波的控制下和释放的五次谐波的控制下，在逐渐增大的偏心故障期间在静止参考系中的五次谐波的电流的图。

具体实施方式

现在下文将参考示出本发明的实施例的附图更全面地描述本发明的概念。然而，本发明的概念可以以许多不同的形式呈现，并且不应被解释为限制于本文所提出的实施例；相反，通过示例提供这些实施例使得本公开彻底和全面，并且将本发明概念的范围充分传达给本领域的技术人员。整篇说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。

图1示出了用于借助一个或多个功率转换器控制电机(诸如具有定子和转子的多相电动机或多相发电机)的控制系统1的示例。该电机例如可以是同步电机。

控制系统1包括存储介质3和处理电路5。该存储介质包括计算机代码，当计算机代码由处理电路5执行时，使得控制系统1执行本文描述的方法的步骤。

存储介质3例如可以作为存储器呈现，诸如随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或者电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)以及更具体地作为诸如外部存储器中的设备的非易失性存储介质呈现，诸如USB(通用串行总线)存储器，或者闪存，诸如紧凑型闪存。

处理电路5可以使用一个或多个合适的中央处理单元(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等能够执行任何本文公开的操作的任意组合，这些操作包含一个或多个功率转换器和多相电机的控制。

图2示出了按照功能块的控制系统1的具体实现的示例。功能块可以在软件和/或硬件中实现。控制系统1被配置为控制一个或多个被配置为控制电机7的功率转换器(未示出)。控制系统1、功率转换器和电机7形成了电机系统9。

控制系统1被配置为基于VSD方法控制电机7。根据多相电机的VSD方法，基波和每个谐波，例如每个奇次谐波，可以被单独地控制，如果m是奇数，则控制到相位数m次，如果m是偶数，则控制到相位数m减1次。特别地，VSD方法允许描述多相电机中奇次谐波的动态特性。奇次谐波包括基波频率(即一次谐波)、三次谐波、五次谐波等，如果m是奇数，则直到相位数m次，如果m是偶数，则直到相位数m减1次，即m-1。

多个电流传感器可以被配置为测量电机7的m相的每一相中的相电流i₁，i₂，…，i_m，m至少为5。例如，电流传感器可以被配置为测量电机7的每一相中的定子电流。

控制系统1具有第一变换模块11，该第一变换模块11被配置为从每个电流传感器获取电流测量值。第一变换模块11被配置为将测量的相电流i₁，i₂，…，i_m变换为各个定子参考系的定子参考系电流i_αn和i_βn，直到谐波w。第一变换模块11因此被配置为生成(w+1)/2个定子参考系，基波对应一个定子参考系并且基波的每个奇次谐波对应一个定子参考系。使用VSD将基波和谐波分解成正交定子参考系子空间。第一变换模块11可以被配置为执行广义的克拉克变换。在图2中，定子参考系电流i_α1和i_β1表示第一定子参考系的这些电流与基波相关联。通常定子参考系电流i_αn和i_βn表示定子参考系的这些电流与n次谐波相关联。

控制系统1具有第二控制模块13，该模块被配置为接收从第一控制模块11的基波直到第w次谐波的所有定子参考系的定子参考系电流i_αn和i_βn(即n＝1，…，w，n为奇数)。第二控制模块13被配置为将定子参考系电流i_αn和i_βn变换为转子参考系电流。因此生成了(w+1)/2个转子参考系。每个转子参考系可以是dq参考系，对应于转子参考系电流i_dn和i_qn(n＝1，…，w，n为奇数)。第二变换模块13可以被配置为执行广义的派克变换。

控制系统1可以被配置为获取当前电机速度ω_m。控制系统1此外可以包括速度适配器15，该速度适配器15被配置为基于电机7的速度ω_m、电机7的极数p以及谐波的次序来设置转子参考系的角速度。例如，与基波相关联的转子参考系，相对于对应的定子参考系的角速度是极数乘以速度ω_m，并且n次谐波的转子参考系的角速度是n乘以速度ω_m乘以极数p。

然后借助相应的组合模块17，将由第二变换模块13输出的每个转子参考系电流i_dn和i_qn(n＝1，…，w，n为奇数)与其对应的参考转子参考系电流组合以获取相应的控制误差。对此，例如，基波的d轴转子参考系电流i_d1与d轴参考转子参考系电流组合，并且基波的q轴转子参考系电流i_q1与q轴参考转子参考系电流/>组合，以获取对应的控制误差。

在正常操作中，谐波的d轴和q轴的所有参考转子参考系电流，即和/>(n大于1)，都具有为零的参考。在具有五个相位或具有连接的中性线的电机配置中，还存在同极电流分量/>其也被控制为零。基波是基于所需的速度和扭矩来控制的。通常，基波和所有谐波利用多相电机的VSD方法单独地控制。

示例的控制系统1包括多个电流调节器(Reg)19。每个电流调节器19被配置为，当适用时，基于相应的控制误差调节对应的电流i_dn或i_qn或i₀，由此并且当适用时，获取电压参考/>和/>(n＝1，…，w，n为奇数)。因此，例如第一调节器19被配置为基于d轴转子参考系电流i_d1和d轴参考转子参考系电流/>之间的控制误差控制电流i_d1。由此获取转子参考系中对应的电压参考。例如，在调节的情况下，基于基波的d轴转子参考系电流i_d1和d轴参考转子参考系电流/>之间的控制误差，获取电压/>

此外，控制系统1包括第三变换模块21。第三变换模块21被配置为将电压参考和/>(n＝1，…，w，n为奇数)从转子参考系变换到每个谐波的定子参考系。第三控制模块21可以被配置为执行广义的逆派克变换。由此在相应的正交定子参考系中获取电压参考/>和/>(n＝1，…，w，n为奇数)。速度适配器15被配置为基于电机7的速度ω_m将转子参考系的角速度、电机7的极数p和谐波的次序提供到第三变换模块21，以执行到正交定子参考系的逆变换。

控制系统1包括第四变换模块23。第四变换模块23具有输入，该输入连接到第三变换模块21的输出。第四变换模块23可以被配置为执行广义的逆克拉克变换。

电机7的控制可以由单个功率转换器或多个功率转换器提供。在后一种情况中，每个功率转换器可以被配置为控制相应的三个绕组的组。电机7的绕组在这种情况下被划分为m/3三相绕组的集合。第四变换模块23被配置为对于每相位或在abc参考系中的三相位的组生成电压参考。第四变换模块23被配置为基于从第三变换模块21接收的电压参考和为每相位生成电压参考/>到/>

此外，示例的控制系统1包括调制器模块25。调制器模块25具有输入，该输入连接到第四变换模块23的输出。调制器模块25被配置为控制电机7的所有相位。根据一个示例，调制器模块25被配置为将电机7的所有相位作为单个组来控制。备选地，调制器模块25可以被配置为控制例如三相位的组。在这种情况下，调制器模块25可以被配置为控制电机7的相应的三相位。调制器模块25被配置为基于从第四变换模块23获取的电压参考到/>控制一个或多个功率转换器的开关以生成电压u₁，u₂，…，u_m。例如，调制器模块25可以利用开关的脉冲调制(PWM)控制来生成电压u₁，u₂，…，u_m。

当电机7和/或一个或多个功率转换器的监测动作开始时，所有谐波或者至少所有不涉及扭矩生成的谐波的控制，可以根据一个示例释放。作为一个备选，例如，可以只释放谐波中一个谐波的控制，例如最低的可用谐波的控制。因为涉及电机7的扭矩生成，因此维持基波的控制。

监测动作例如可以在预确定的时间间隔执行，即自最近一次监测动作以来，预确定的时间结束。在两个监测动作之间，基波以及所有谐波都正常控制，即谐波被控制为零。

一个或多个谐波的控制的释放可以以许多不同的方式获取。例如，由第二变换模块13输出的谐波的所有转子参考系电流i_dn和i_qn(n＝2，…，w，n为奇数)在与组合模块17中为零的参考转子参考电流和/>组合之前可以被设置为零。以这种方式，控制误差将为零，并且因此电压参考由对应的调节器19输出，以及由第三变换模块21输出。由于谐波的电压参考为零，那么谐波将不受控制。备选地，第四变换模块23可以将谐波的电压参考设置为零，例如借助于在适当的元件中提供零的变换矩阵。在正常操作中，可以使用另一个没有将谐波设置为零的矩阵。

电流传感器将在一个或多个谐波已从控制中释放的情况下检测包括谐波的相电流。第一变换模块11在这种情况下将为具有非零幅值的电流特征的谐波生成定子参考系。处理电路5被配置为将一个或多个谐波的电流特征与对应的参考电流特征比较。例如，电流特征可以是谐波的幅值。因此，在其定子参考系中的谐波幅值可以与相关谐波的参考幅值比较。在电流特征和参考电流特征之间的偏差大于预确定的量(例如预确定的阈值)的情况下，那么确定出现故障状态。电流特征可以作为备选，例如在基波的一个或多个周期内，是在对应的定子参考系中获取的谐波电流的轨迹。

在确定出现故障的情况下，根据一个示例，电流特征可以与多个参考故障电流特征比较，其中每个参考故障电流特征都与某种类型的故障相关联。以这种方式，如果发现匹配，就可以确定故障的类型。

当已经执行监测动作时，即当至少一个谐波的电流特征已经与对应的参考电流特征比较时，谐波的电流再次被控制为零。因此第四变换模块23从第三变换模块21获取所有谐波的电压参考，并且它们被积极地用于第四变换模块23和调制器模块25来控制电机7。维持基波的控制。

图3a至图3d示出了四个具有某个故障状态的示例。在所示的示例中，故障状态是转子的偏心故障。

在图3a中示出了与五次谐波相关联的定子参考系中的五次谐波的定子参考系电流。第一曲线29以轨迹的形式示出了当五次谐波被控制为零时五次谐波的电流特征。第二曲线31以轨迹的形式示出了当五次谐波的控制被释放时五次谐波的电流特征。对于图3b至图3d中的每个图，偏心率逐渐增加，使得图3b中的偏心率高于图3a，并且图3c中的偏析率高于图3b并以此类推。如图所示，第一曲线29大体相同，或只是随着情况恶化有轻微的不同。因此当五次谐波被控制为零时五次谐波只会随着情况恶化轻微变化。另一方面，第二曲线31示出了随着情况恶化的主要变化。由此可以通过比较对应于第二曲线31的电流特征和不受谐波控制的五次谐波的对应的参考特征曲线，确定电机7中出现故障状态。

根据一个示例，当谐波最近的电流特征已经借助第一变换模块11获取时，最近的电流特征就可以被存储在存储介质3中作为随后监测动作的参考电流特征。由此参考电流特征例如对于方法的每次迭代都会更新。备选地，对于每个谐波的相同的相应的参考电流信号可以在电机的整个使用寿命中使用。

根据一个示例，如果认为有必要，控制系统1可以被配置为在释放一个或多个谐波的控制之前降低电机7的速度。处理电路5在这个变化中被配置为获取电机7的当前速度，以及可选地获取当前负载，并获取对于当前速度的预确定的谐波的参考幅值，例如从查找表获取，查找表包含对于电机7的多个不同速度的每个谐波的参考幅值。参考幅值还可以与不同的负载相关联。在预确定的谐波的参考幅值大于与当前速度和可选地当前负载相关联的预确定的阈值的情况下，控制系统1会在释放一个或多个谐波的控制之前降低电机的速度。

上文参考一些示例主要描述了本发明的构思。然而，如本领域的技术人员所容易理解的，除了上面公开的实施例以外的其他实施例同样可以落入由所附权利要求所限定的本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种借助功率转换器控制多相电机(7)的方法，所述方法包括：

a)通过利用向量空间分解VSD来控制所述电机(7)，其中所述控制涉及在维持基波的电流的控制的同时使谐波的电流的不被控制；

b)在使所述谐波的所述电流的不被控制的同时测量所述电机(7)的相电流(i₁，…，i_m)；

c)使用所述VSD来变换所述电流测量值，以获取所述谐波的电流特征；以及

d)基于所述电流特征与所述谐波的参考电流特征的比较，确定在所述电机(7)中或在所述功率转换器中是否出现故障。

2.根据权利要求1中所述的方法，其中在步骤d)中，在所述电流特征偏离所述参考电流特征超出预确定的量的情况下，确定在所述电机(7)中或在所述功率转换器中出现故障。

3.根据权利要求1或2中所述的方法，其中步骤a)涉及在维持所述基波的所述电流的控制的同时使多个谐波不被控制，其中步骤c)涉及获取每个相应的谐波的电流特征，并且步骤d)涉及将每个电流特征与相应的参考电流特征比较。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述电流特征和所述参考电流特征中的每一个都是在与所述谐波相关联的转子参考系或定子参考系中的所述电流的幅值或轨迹。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述参考电流特征是步骤a)-d)的更早的迭代的电流特征。

6.根据权利要求5中所述的方法，包括：在确定步骤d)中未出现故障的情况下，存储所述电流特征，所述电流特征用于在步骤a)-d)的后续的迭代中用作参考电流特征。

7.根据权利要求1或2所述的方法，包括：获取所述电机(7)的速度，获取对于所述速度的预确定谐波的参考幅值，并且在所述预确定的谐波的所述参考幅值大于预确定的阈值的情况下，在步骤a)之前降低所述电机(7)的所述速度。

8.根据权利要求1或2所述的方法，包括：一旦自步骤a)-d)的先前的迭代以来的预确定的时间量结束，就执行步骤a)-d)。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述多相电机(7)包括至少五个电相位。

10.一种包括计算机代码的存储介质，当所述计算机代码由控制系统(1)的处理电路(5)执行时，使得所述控制系统(1)执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的步骤。

11.一种用于借助于功率转换器控制多相电机(7)的控制系统(1)，所述控制系统(1)包括：

处理电路(5)；以及

包括计算机代码的存储介质(3)，当所述计算机代码由所述处理电路(5)执行时，使得所述控制系统(1)执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的步骤。

12.一种电机系统(9)，包括：

多相电机(7)；

功率转换器，被配置为被连接到所述电机(7)以用于控制所述电机(7)；以及

根据权利要求11所述的控制系统(1)，所述控制系统(1)被配置为控制所述功率转换器。